CN108439876A - 一种确定超早强水泥基材料配方的设计方法 - Google Patents

一种确定超早强水泥基材料配方的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种确定超早强水泥基材料配方的设计方法，其包括如下步骤：通过紧密堆积理论确定基体的固体组分比例；确定水胶比；确定减水剂质量掺量；基于响应面法确定考察因素及响应目标，并设计试验，根据试验结果拟合的模型求取考察因素理论最佳值；以上述步骤中得到的超早强水泥基材料各组分的质量掺量为基础，加入不同体积掺量的纤维并确定纤维的最佳体积掺量，得到超早强水泥基材料的配方。本发明通过优化基体配比与考察因素质量掺量而得到具有保持工作性能能力与力学性能优异的超早强水泥基材料配比，该方法操作简单，可以准确地确定超早强水泥基材料所需组分的合理比例，为超早强水泥基材料性能的精准设计提供依据。

Description

一种确定超早强水泥基材料配方的设计方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种确定超早强水泥基材料配方的设计方法。
背景技术
随着我国基础设施建设的快速发展，水泥基材料已成为机场道面、公路桥梁以及工业建筑的主要建筑材料，然而许多混凝土建筑结构在服役过程中容易造成损伤，甚至还未达到设计年限就已出现不同程度的破坏。如城市桥梁伸缩缝，在车载反复作用以及恶劣环境的侵蚀下，已成为桥梁结构中普遍较早出现破坏的部位，严重影响了道路运输。而采用传统的伸缩缝修复材料，由于存在过程工期长、开放交通迟的弊端，严重影响城市交通出行的同时也给社会经济效益带来了极大损失。现在国家大力发展装配式建筑，其快速化施工对结构中构件与构件之间的连接材料提出了新的要求，需要具备快硬、超早强、后期强度增幅大等特点。因此，研究适用于交通工程快速修补和装配式建筑连接用新型水泥基材料显得尤为重要。
超早强水泥基材料是一类快硬而不速凝的建筑材料，具有早期强度高、施工工艺简单、后期强度增长幅度大的特点，适合应用于城市交通工程的快速修复工程以及装配式建筑的构件连接，并将逐渐发展为该领域的重要方向。然而，目前对超早强水泥基材料的设计缺乏足够的理论支撑和依据，且在工程应用中，由于施工工艺与施工工期的影响，超早强水泥基材料体系中外加剂的的合理掺量也难以控制。因此，超早强水泥基材料设计方法的不完善以及外加剂掺量的合理控制，保持工作性能与早期力学性能、后期力学性能之间的协调统一，深刻的影响超早强水泥基材料的推广应用。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种确定超早强水泥基材料配方的设计方法，通过优化基体配比与考察因素质量掺量而得到具有保持工作性能能力与力学性能优异的超早强水泥基材料配比，该方法操作简单，可以准确地确定超早强水泥基材料所需组分的合理比例，为超早强水泥基材料性能的精准设计提供依据。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种确定超早强水泥基材料配方的设计方法，其包括如下步骤：
S1：根据紧密堆积理论确定每立方米超早强水泥基材料的基体中各固体组分的质量；
S2：根据所述超早强水泥基材料强度需求，确定超早强水泥基材料的水胶比；
S3：根据所述基体与减水剂的相容性确定所述减水剂的质量掺量；
S4：采用响应面法，并确定响应面法中的考察因素以及响应目标；
S5：根据所述响应面法设计试验方案，并进行试验，得到试验结果；
S6：对所述试验结果进行多元回归分析，得出拟合模型及回归方程；
S7：根据所述超早强水泥基材料性能需求，确定所述响应目标的期望值，结合所述响应目标期望值，对所述回归方程进行求导，得到所述考察因素理论最佳值；
S8：以所述步骤S1～S7所得的所述超早强水泥基材料中各组分的质量掺量为基础，加入不同体积掺量的纤维，根据所述超早强水泥基材料性能需求，选择最佳体积掺量的纤维，得到所述超早强水泥基材料的配方。
进一步地，所述步骤S1中，所述基体的固体组分包括水泥、矿物掺和料和集料。
进一步地，所述矿物掺和料包括硅灰、粉煤灰、石灰石粉、熟石灰粉、矿粉和石膏中的一种或几种。
进一步地，所述集料为粒径范围分别在0～0.6mm和0.6～4.75mm的连续级配的河砂或石英砂。
进一步地，当所述集料为河砂时，所述河砂的含泥量不大于1.5％；当所述集料为石英砂时，所述石英砂的石粉含量不大于1.5％。
进一步地，所述步骤S2中，所述水胶比为0.15～0.35。
进一步地，所述步骤S3中，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
进一步地，所述步骤S4中，所述考察因素包括缓凝剂质量掺量、速凝剂质量掺量、引气剂质量掺量、早强剂质量掺量、膨胀剂质量掺量以及增稠剂质量掺量中的一种或几种。
进一步地，所述步骤S4中，所述响应目标包括所述超早强水泥基材料拌合物的工作性能、凝结时间、不同龄期力学性能以及耐久性能。
进一步地，所述步骤S10中，所述纤维包括钢纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维以及聚丙烯纤维中的一种或几种。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供了用于确定超早强水泥基材料配方的设计方法，避免了用试错法确定材料组成与占比，本发明利用超早强水泥基材料颗粒的紧密堆积制备基体，通过响应面法研究考察因素质量掺量之间的交互作用来确定考察因素最佳值，并加入适量纤维，提升超早强水泥基材料性能，提高原材料使用效率。
(2)本发明所述方法操作简单，可以根据施工需要准确快速地确定超早强水泥基材料所需组分的合理掺量范围，为超早强水泥基材料的优化设计提供依据。
附图说明
图1为本发明实施例中早强剂与缓凝剂交互作用对浆体流动度影响三维响应曲面图；
图2为本发明实施例中早强剂与缓凝剂交互作用对2h抗压强度影响三维响应曲面图；
图3为本发明实施例中早强剂与缓凝剂交互作用对1d抗压强度影响三维响应曲面图；
图4为本发明实施例中钢纤维体积掺量对超早强水泥基材料抗压强度影响图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例提供一种确定超早强水泥基材料配方的设计方法，其包括如下步骤：
S1：根据紧密堆积理论确定每立方米超早强水泥基材料的基体中各固体组分的质量；
S2：根据超早强水泥基材料强度需求，确定超早强水泥基材料的水胶比；
S3：根据基体与减水剂的相容性确定减水剂的质量掺量；
S4：采用响应面法，并确定响应面法中的考察因素以及响应目标；
S5：根据响应面法设计试验方案，并进行试验，得到试验结果；
S6：对试验结果进行多元回归分析，得出拟合模型及回归方程；
S7：根据超早强水泥基材料性能需求，确定响应目标的期望值，结合响应目标期望值，对回归方程进行求导，得到考察因素理论最佳值及由考察因素理论最佳值预测的响应目标理论预测值；
S8：以步骤S1～S7所得的超早强水泥基材料中各组分的质量掺量为基础，加入不同体积掺量的纤维，根据超早强水泥基材料性能需求，选择最佳体积掺量的纤维，得到超早强水泥基材料的配方。
其中，该方法还包括对考察因素理论最佳值验证步骤：A1：根据步骤S5中试验结果，作出考察因素交互作用对响应目标的影响曲面图；A2：选取步骤S7中所得到的考察因素理论最佳值进行试验并得到验证试验结果，对比验证试验结果与步骤S7中的响应目标理论预测值。
其中，步骤S1中，基体的固体组分包括水泥、矿物掺和料和集料。
其中，矿物掺和料包括硅灰、粉煤灰、石灰石粉、熟石灰粉、矿粉和石膏中的一种或几种。
其中，集料为粒径范围分别在0～0.6mm和0.6～4.75mm的连续级配的河砂或石英砂。
其中，当集料为河砂时，河砂的含泥量不大于1.5％；当集料为石英砂时，石英砂的石粉含量不大于1.5％。
其中，步骤S2中，水胶比为0.15～0.35。
其中，步骤S3中，减水剂为聚羧酸高效减水剂。
其中，步骤S4中，考察因素包括缓凝剂质量掺量、速凝剂质量掺量、引气剂质量掺量、早强剂质量掺量、膨胀剂质量掺量以及增稠剂质量掺量中的一种或几种。
其中，步骤S4中，响应目标包括超早强水泥基材料拌合物的工作性能、凝结时间、不同龄期力学性能以及耐久性能。
其中，步骤S10中，纤维包括钢纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维以及聚丙烯纤维中的一种或几种。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种超早强水泥基材料的配方设计方法，包括如下步骤：
S1：根据紧密堆积理论确定每立方米超早强水泥基材料的基体中各固体组分的质量，结果如表1所示：
表1超早强水泥基材料基体配合比(kg/m3)
组成 水泥 矿物掺和料 集料(0～0.6mm) 集料(0.6～3.35mm)
质量 900 200 600 400
S2：确定超早强水泥基材料的水胶比为0.2。
S3：根据基体与减水剂的相容性确定聚羧酸高效减水剂的质量掺量为凝胶材料质量的1.6％；本实施例中凝胶材料为水泥和矿物掺合料。
S4：采用响应面法，并以超早强水泥基材料中的早强剂质量掺量与缓凝剂质量掺量作为响应面法的考察因素，以20min浆体流动度、2h抗压强度以及1d抗压强度作为响应面法中的响应目标；
S5：根据响应面法设计试验方案，并进行试验，得到试验结果，结果如表2所示，其中X1为早强剂质量掺量、X2为缓凝剂质量掺量，Y为浆体流动度、S为抗压强度：
表2响应面设计方案与试验结果
S6：对所得到的试验结果进行多元回归分析，得出拟合模型及拟合模型的回归方程，见下式(1)～(3)：
Y＝280.52-219.16X1+208.38X2+542.86X1X2-317.35X12-350X22
式(1)
S1＝6.47+71.53X1-3.01X2+24.49X1X2-49.18X12-15.71X22
式(2)
S2＝46.19+59.38X1-49.14X2+1.22X1X2-31.53X12+44.39X22
式(3)
S7：结合考虑20min流动度、2h抗压强度以及1d抗压强度最大值时，对拟合模型的回归方程进行求导，得到早强剂与缓凝剂理论最佳质量掺量分别为凝胶材料质量的0.58‰和0.6‰；
A1：根据步骤S5试验结果，得到早强剂质量掺量与缓凝剂质量掺量交互作用对超早强水泥基材料20min浆体流动度、2h抗压强度以及1d抗压强度的影响曲面图，分别如图1～3；
A2：选取步骤S7中早强剂与缓凝剂理论最佳质量掺量进行试验，得到验证试验结果，同时，步骤S7在输出早强剂与缓凝剂理论最佳质量掺量时，拟合模型输出由早强剂与缓凝剂理论最佳质量掺量预测的20min流动度、2h抗压强度以及1d抗压强度的理论预测值，验证试验结果与拟合模型预测结果如表3所示，其中R％表示验证试验结果与拟合模型预测结果的偏差程度，结果表明验证试验结果与拟合模型预测结果相接近，拟合模型拟合度较高：
表3拟合模型预测结果与验证试验结果对比
S8：步骤S1～S7所得优化配合比每立方米水泥基材料所含水泥、矿物掺和料、集料(0～0.6mm)、集料(0.6～3.35mm)分别为900kg、200kg、600kg、400kg，水胶比为0.2，聚羧酸高效减水剂质量掺量、早强剂质量掺量、缓凝剂质量掺量分别为凝胶材料质量的1.6％、0.58‰和0.6‰，该配合比下的水泥基材料20min流动度为229mm，2h、1d抗压强度分别为34MPa、62MPa。在上述各组分的质量掺量的基础上加入不同体积掺量的钢纤维，以钢纤维体积掺量作为变量，进行单因素试验，制备超早强水泥基材料，并测试其2h、1d抗压强度，试验结果如图4。试验结果表明，随着钢纤维体积掺量的增加超早强水泥基材料抗压强度显著提高，钢纤维体积掺量为3％时的2h、1d抗压强度分别为50MPa、84MPa。超早强水泥基材料基体受力后通过与钢纤维的界面粘接力将荷载传递至钢纤维，纤维与超早强水泥基材料基体组成一个整体共同承担荷载，钢纤维的桥接作用使得超早强水泥基材料的抗压强度显著提高，由于钢纤维的强化作用，在破坏时钢纤维超早强水泥基材料不会出现瞬间的脆性破坏，且对超早强水泥基材料的力学性能明显提高。即设计的超早强水泥基材料的配合比为：每立方水泥基材料所含水泥、矿物掺和料、集料(0～0.6mm)、集料(0.6～3.35mm)分别为900kg、200kg、600kg、400kg，水胶比为0.2，聚羧酸高效减水剂、早强剂、缓凝剂质量掺量分别为凝胶材料质量的1.6％、0.58‰和0.6‰，钢纤维体积掺量为3％。
因此，结合基体紧密堆积、早强剂与缓凝剂质量掺量优化以及加入适量钢纤维等方法可以制备性能优异的超早强水泥基材料。本发明可以根据施工要求，准确快速地配制出超早强水泥基材料。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种确定超早强水泥基材料配方的设计方法，其特征在于，其包括如下步骤：
S1：根据紧密堆积理论确定每立方米超早强水泥基材料的基体中各固体组分的质量；
S2：根据所述超早强水泥基材料强度需求，确定超早强水泥基材料的水胶比；
S3：根据所述基体与减水剂的相容性确定所述减水剂的质量掺量；
S4：采用响应面法，并确定响应面法中的考察因素以及响应目标；
S5：根据所述响应面法设计试验方案，并进行试验，得到试验结果；
S6：对所述试验结果进行多元回归分析，得出拟合模型及回归方程；
S7：根据所述超早强水泥基材料性能需求，确定所述响应目标的期望值，结合所述响应目标期望值，对所述回归方程进行求导，得到所述考察因素理论最佳值；
S8：以所述步骤S1～S7所得的所述超早强水泥基材料中各组分的质量掺量为基础，加入不同体积掺量的纤维，根据所述超早强水泥基材料性能需求，选择最佳体积掺量的纤维，得到所述超早强水泥基材料的配方。
2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述基体的固体组分包括水泥、矿物掺和料和集料。
3.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于：所述矿物掺和料包括硅灰、粉煤灰、石灰石粉、熟石灰粉、矿粉和石膏中的一种或几种。
4.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于：所述集料为粒径范围分别在0～0.6mm和0.6～4.75mm的连续级配的河砂或石英砂。
5.如权利要求4所述的设计方法，其特征在于：当所述集料为河砂时，所述河砂的含泥量不大于1.5％；当所述集料为石英砂时，所述石英砂的石粉含量不大于1.5％。
6.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述水胶比为0.15～0.35。
7.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
8.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述考察因素包括缓凝剂质量掺量、速凝剂质量掺量、引气剂质量掺量、早强剂质量掺量、膨胀剂质量掺量以及增稠剂质量掺量中的一种或几种。
9.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述响应目标包括所述超早强水泥基材料拌合物的工作性能、凝结时间、不同龄期力学性能以及耐久性能。
10.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述步骤S10中，所述纤维包括钢纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维以及聚丙烯纤维中的一种或几种。
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